DE202008001344U1 - Friction stir welding tool attachment for retrofitting milling machines - Google Patents

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Abstract

Reibrührschweiß-Werkzeugvorsatz zur Umrüstung von Fräsmaschinen auf die Funktion des Reibrührschweißens, gekennzeichnet durch
– einen Vorsatzkörper (9), der einen Anschlussflansch (10) zum Einspannen in die Werkzeughalterung der Fräsmaschine aufweist,
– einen im Vorsatzkörper (9) parallel zur Werkzeug-Rotationsachse (R) verschiebbar geführten, relativ zum Vorsatzkörper (9) drehfesten Werkzeugeinsatz (14) mit einem Reibrührschweißwerkzeug (5),
– eine zwischen Vorsatzkörper (9) und Werkzeugeinsatz (14) gesetzte Druckfedereinheit (12), die den Werkzeugeinsatz (14) in Eintauchrichtung (z) des Reibrührschweißwerkzeuges (5) mit einer durch deren Federkennlinie definierten Anpresskraft (F) beaufschlagt.A friction stir welding tool attachment for converting milling machines to the function of friction stir welding, characterized by
- An attachment body (9) having a connecting flange (10) for clamping in the tool holder of the milling machine,
- a in the attachment body (9) parallel to the tool rotation axis (R) slidably guided, relative to the attachment body (9) non-rotatably tool insert (14) with a friction stir welding tool (5),
- A set between the attachment body (9) and tool insert (14) compression spring unit (12) which acts on the tool insert (14) in the dipping direction (z) of the friction stir welding tool (5) defined by the spring characteristic contact pressure (F).

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen Reibrührschweiß-Werkzeugvorsatz zur Umrüstung von Fräsmaschinen auf die Funktion des Reibrührschweißens.The The invention relates to a friction stir welding tool attachment for conversion of milling machines on the function of the friction stir welding.

Das Reibrührschweißen (im Folgenden kurz FSW) setzt sich insbesondere beim Fügen von Aluminiumbauteilen wegen des geringen Wärmeeintrages und der Güte der Schweißnähte mehr und mehr durch. Allerdings sind die Anschaffungskosten für einen FSW-Automaten hoch, so dass sich das Verfahren nur langsam durchsetzt.The Friction stir welding (im FSW for short) is particularly important when joining Aluminum components because of the low heat input and the quality of the welds more and more through. However, the initial cost of a FSW machines high, so that the process is slow to prevail.

Aus dem Stand der Technik sind Versuche bekannt, CNC-Fräsmaschinen für das FSW einzusetzen. Dies ist beispielsweise in dem Fachaufsatz von M. Zäh, D. Eireiner: „Rührreibschweißen mit NC-Fräsmaschinen", Schweißen und Schneiden 56 (2004) Heft 2 ausführlich behandelt. Die maschinentechnischen Gegebenheiten bei der dort offenbarten Verwendung eines starren Werkzeugeinsatzes bedingen eine umfangreiche Sensorik und die Steuerung der Maschine unter Einbeziehung dieser Daten. Es ist also eine erhebliche Hard- und Softwareaufrüstung der CNC-Fräsmaschine notwendig.Attempts are known from the prior art to use CNC milling machines for the FSW. This is for example in the technical article of M. Zäh, D. Eireiner: "Friction Stir Welding with NC Milling Machines", Welding and Cutting 56 (2004) Heft 2 treated in detail. The machine-technical conditions in the use of a rigid tool insert disclosed therein require extensive sensor technology and the control of the machine including this data. So it is a significant hardware and software upgrade the CNC milling machine necessary.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Reibrührschweiß-Werkzeugvorsatz zu schaffen, mit dem herkömmliche NC-Fräsmaschinen problemlos für das Reibrührschweißen umgerüstet werden können.Of the Invention is in contrast the object of the invention is to provide a friction stir welding tool attachment, with the conventional NC milling machines easily for the friction stir welding can be converted can.

Die Aufgabe wird durch die Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Demnach ist vorgesehen

  • – ein Vorsatzkörper, der einen Anschlussflansch zum Einspannen in die Werkzeughalterung der Fräsmaschine aufweist,
  • – ein im Vorsatzkörper parallel zur Werkzeug-Rotationsachse verschiebbar geführter, relativ zum Vorsatzkörper drehfester Werkzeugeinsatz mit einem Reibrührschweißwerkzeug, und
  • – eine zwischen Vorsatzkörper und Werkzeugeinsatz gesetzte Druckfedereinheit, die den Werkzeugeinsatz in Eintauchrichtung des Reibrührschweißwerkzeuges mit einer durch deren Federkennlinie definierten Anpresskraft beaufschlagt.
The object is achieved by the characterizing part of claim 1 specified features. Accordingly, it is provided
  • An attachment body having a connection flange for clamping into the tool holder of the milling machine,
  • - A in the attachment body parallel to the tool axis of rotation slidably guided relative to the attachment body torsionally rigid tool insert with a friction stir welding tool, and
  • - A set between attachment body and tool insert compression spring unit, which acts on the tool insert in the dipping direction of the friction stir welding tool with a defined by the spring characteristic pressing force.

Der erfindungsgemäße Werkzeugvorsatz ermöglicht so das Reibrührschweißen an herkömmlichen CNC-Fräsmaschinen ohne Hard- bzw. Softwareaufrüstungen und somit einen unkomplizierten und preiswerten Einstieg in das Reibrührschweißverfahren. CNC-Fräsmaschinen sind nämlich üblicherweise weggesteuert, für das Reibrührschweißen ist jedoch eine Kraftsteuerung in z-Richtung erforderlich. Diese wird nun über das Druckfedersystem im FSW-Werkzeugvorsatz realisiert. Die Kenntnis der Federkennlinie, d.h. die Abhängigkeit der Kraft von der Feder-Stauchung, ermöglicht es, über die Wegsteuerung der z-Achse der Fräsmaschine die erforderlichen Anpresskräfte auf das FSW-Pin-Werkzeug kontrolliert aufzubringen und zu regeln. Durch Auswahl unterschiedlicher Druckfedern kann der erforderliche Kraftbereich eingestellt werden (z. B. 0–2500 N).Of the Tool attachment according to the invention allows so the friction stir welding on conventional CNC milling machines without hardware or software upgrades and thus an uncomplicated and inexpensive entry into the A friction stir welding. CNC milling machines are usually driven away, for the Friction Stir Welding is However, a force control in the z direction required. This one will now over implemented the compression spring system in the FSW tool attachment. The knowledge the spring characteristic, i. the dependence the force of the spring compression allows it to be controlled via the z-axis path control the milling machine the required contact forces applied to the FSW pin tool controlled and regulated. By selecting different compression springs, the required force range be set (eg 0-2500 N).

Der FSW-Werkzeugvorsatz besitzt am unteren Ende eine Aufnahme (z. B. Gewinde oder Morsekegel) für das eigentliche FSW-Pin-Werkzeug, das somit bei Verschleiß oder bei Änderung der Schweißgeometrie leicht ausgetauscht werden kann. Das obere Ende des FSW-Werkzeugvorsatzes ist so gestaltet, dass es in übliche Werkzeugaufnahmen der Fräsmaschine, z. B. ein Spannzangenfutter, eingespannt werden kann.Of the FSW tool attachment has a holder at the bottom end (eg Thread or Morse taper) for the actual FSW pin tool, which is therefore worn or changed the welding geometry can be easily replaced. The top of the FSW tool attachment is designed so that it is in usual Tool holders of the milling machine, z. B. a collet chuck, can be clamped.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert wird. DieseFurther Features, advantages and details of the invention will become apparent the following description, in which an embodiment with reference to the accompanying drawings is explained in more detail. These

1 zeigt einen schematischen Rotationsaxialschnitt eines Reibrührschweiß-Werkzeugvorsatzes. 1 shows a schematic rotational axial section of a friction stir welding tool attachment.

Der als Ganzes mit 1 bezeichnete Werkzeugvorsatz dient zum Fügen der beiden aneinander stoßenden Werkstücke 2, 3 beispielsweise in Form von Aluminiumplatten, die auf einer gemeinsamen Werkstückauflage 4 positioniert und dort aufgespannt sind. Das Fügen erfolgt mit einem Reibrührschweißwerkzeug 5, dessen zylindrischer Schaft 6 an seiner zu den Werkstücken 2 hinweisenden Stirnfläche einen zentral angeordneten Pin 7 aufweist, der von der durch die Schaft-Stirnwand gebildeten Ringschulter 8 umgeben ist. Zur Durchführung eines Reibrührschweißvorgangs muss das FSW-Werkzeug 5 unter Rotation um seine Rotationsachse R mit einer definierten Kraft F auf die Werkstücke 2, 3 abgesenkt werden, so dass der Pin 7 in Eintauchrichtung (z-Richtung) in die Fuge zwischen den Werkstücken 2, 3 eindringt und das Material der beiden angrenzenden Werkstücke 2, 3 miteinander „verrührt". Gleichzeitig wird das FSW-Werkzeug 5 entlang der anzulegenden Schweißnaht (x-Richtung) vorgeschoben.The whole with 1 designated tool attachment is used to join the two abutting workpieces 2 . 3 For example, in the form of aluminum plates on a common workpiece support 4 are positioned and clamped there. The joining takes place with a friction stir welding tool 5 whose cylindrical shaft 6 at his to the workpieces 2 pointing end face a centrally located pin 7 that of the annular shoulder formed by the shaft end wall 8th is surrounded. To perform a friction stir welding operation, the FSW tool must be used 5 under rotation about its axis of rotation R with a defined force F on the workpieces 2 . 3 be lowered so that the pin 7 in the direction of insertion (z-direction) into the joint between the workpieces 2 . 3 penetrates and the material of the two adjacent workpieces 2 . 3 At the same time, the FSW tool becomes "mingled." 5 along the weld to be applied (x-direction) advanced.

Zur Durchführung dieses Schweißvorganges wird eine nicht dargestellte CNC-Fräsmaschine eingesetzt, die mit Hilfe des gezeigten Werkzeugvorsatzes 1 auch für ein Reibrührschweißen eingesetzt werden kann. Der Werkzeugvorsatz 1 weist dabei als tragendes Element einen Vorsatzkörper 9 auf, der an seiner den Werkstücken 2, 3 abgewandten Seite mit einem Anschlussflansch 10 zur Anbindung an die Werkzeugspannvorrichtung der Fräsmaschine versehen ist. In Eintauchrichtung z vor dem Anschlussflansch ist der Vorsatzkörper 9 erweitert und bildet eine Aufnahmekammer 11, in der eine Druckfedereinheit 12 beispielsweise in Form von Schraubendruckfedern untergebracht ist.To carry out this welding operation, a CNC milling machine, not shown, is used, which with the aid of the shown tool attachment 1 can also be used for a friction stir welding. The tool attachment 1 has as attachment element a header body 9 on, at his workpieces 2 . 3 opposite side with a connection flange 10 is provided for connection to the tool clamping device of the milling machine. In dipping direction z in front of the connecting flange is the attachment body 9 expands and forms a receiving chamber 11 in which a compression spring unit 12 is housed for example in the form of helical compression springs.

Im Vorsatzkörper 9 ist ferner ein als Ganzes mit 14 bezeichneter Werkzeugeinsatz in Eintauchrichtung Z verschiebbar gelagert, an dessen Lagerkörper 15 das FSW-Werkzeug 5 in einer Aufnahme 16 drehfest beispielsweise mit Hilfe eines Gewindes oder eines Morsekegels, gehalten ist. Der Lagerkörper 15 weist einen langgestreckten Schaft 17 auf, dessen oberer Bereich als Führungsstange 18 in einer entsprechenden Führungsbohrung 19 im Anschlussflansch 10 entlang der Rotationsachse R verschiebbar geführt ist. Am gegengesetzten Ende des Schaftes, das in Eintauchrichtung z durch die Druckfedereinheit 12 nach unten vorsteht, ist eine umlaufende Anschlagschulter 20 angelegt, an der sich die Druckfedereinheit 12 mit ihrem einen Ende abstützt. Das andere Ende liegt an der Decke 13 der Aufnahmekammer 11 an, so dass der Lagerkörper 15 und damit das FSW-Werkzeug 5 in Eintauchrichtung Z beaufschlagt werden. Vorsatzkörper 9, Druckfedereinheit 12 und Werkzeugeinsatz 14 werden durch ein Überwurfteil 21 zusammengehalten, das von unten auf den Vorsatzkörper 9 mit seiner Seitenwand 22 aufgeschraubt ist. Der Boden 23 des Überwurfteils 21 weist zentral eine nicht-rotationssymmetrische, also beispielsweise quadratische Durchstecköffnung 24 auf, durch die der Werkzeugeinsatz 14 mit dem die Aufnahme 16 beherbergenden, im Querschnitt entsprechend quadratischen Teil hindurchgreift.In the attachment body 9 is also one as a whole with 14 designated tool insert slidably mounted in the dipping Z, at the bearing body 15 the FSW tool 5 in a recording 16 rotatably, for example, by means of a thread or a Morse taper is held. The bearing body 15 has an elongated shaft 17 on, whose upper area as a guide rod 18 in a corresponding guide hole 19 in the connection flange 10 slidably guided along the axis of rotation R. At the opposite end of the shaft, in the direction of insertion z by the compression spring unit 12 projecting downwards, is a circumferential stop shoulder 20 created, at which the compression spring unit 12 supported with one end. The other end is on the ceiling 13 the receiving chamber 11 on, so that the bearing body 15 and thus the FSW tool 5 be acted upon in the direction Z dipping. housing body 9 , Compression spring unit 12 and tool insert 14 be through a cap part 21 held together from below on the attachment body 9 with its sidewall 22 is screwed on. The floor 23 of the cap part 21 has centrally a non-rotationally symmetrical, so for example square insertion opening 24 on, through which the tool insert 14 with the recording 16 harboring, in cross-section corresponding square part engages.

Für die Durchführung eines Reibrührschweißvorganges wird die Werkzeugaufnahme der CNC-Fräsmaschine gemeinsam mit dem Werkzeugvorsatz 1 in z-Richtung nach unten bewegt, wobei mit dem Aufsetzen des FSW-Werkzeuges 5 und dem Eindringen des Pins 7 in die Werkstücke 2, 3 der Werkzeugeinsatz 14 relativ zum Vorsatzkörper 9 in Pfeilrichtung 25 verlagert wird. Damit übt die Druckfedereinheit 12 eine Druckkraft auf den Werkzeugeinsatz 14 aus, die für die notwendige Anpresskraft der Ringschulter 8 des FSW-Werkzeuges 5 auf den Werkstücken 2, 3 sorgt. Die Größe dieser Anpresskraft kann über den Verfahrweg der Fräsmaschine in z-Richtung eingestellt werden, da sich diese Druckkraft entsprechend der Federkennlinie der Druckfedereinheit 12 einstellt.To carry out a friction stir welding process, the tool holder of the CNC milling machine is combined with the tool attachment 1 moved down in the z direction, with the placement of the FSW tool 5 and the penetration of the pin 7 in the workpieces 2 . 3 the tool insert 14 relative to the attachment body 9 in the direction of the arrow 25 is relocated. Thus, the compression spring unit exercises 12 a compressive force on the tool insert 14 out, for the necessary contact force of the annular shoulder 8th of the FSW tool 5 on the workpieces 2 . 3 provides. The size of this contact force can be adjusted via the travel of the milling machine in the z-direction, since this pressure force corresponding to the spring characteristic of the compression spring unit 12 established.

Für unterschiedliche Werkstoffe können durch Abnehmen des Überwurfteils 21 und des Werkzeugeinsatzes 14 sowie Austausch der Druckfedereinheit 12 unterschiedliche Bereiche von Anpresskräften erzielt werden. Die Druckfedereinheit 12 selbst kann dabei aus einer einzigen, aber auch zwei oder mehreren Druckfedern bestehen, die zueinander identisch, oder auch unterschiedlich sein können. In letzterem Falle kann ein Parameterwechsel bezüglich der Federkennlinie der Druckfedereinheit stattfinden, indem nach dem völligen Stauchen der weicheren Feder dann die härtere Feder die Kennlinie der Druckfedereinheit bestimmt. Das FSW-Werkzeug 5 selbst ist im Verschleißfall einfach zu wechseln.For different materials can be removed by removing the cap part 21 and the tool insert 14 and replacement of the compression spring unit 12 different areas of contact forces can be achieved. The compression spring unit 12 itself can consist of a single, but also two or more compression springs that can be identical to each other, or even different. In the latter case, a parameter change with respect to the spring characteristic of the compression spring unit take place in that after the full compression of the softer spring then the harder spring determines the characteristic of the compression spring unit. The FSW tool 5 itself is easy to change in case of wear.

Claims (9)

Reibrührschweiß-Werkzeugvorsatz zur Umrüstung von Fräsmaschinen auf die Funktion des Reibrührschweißens, gekennzeichnet durch – einen Vorsatzkörper (9), der einen Anschlussflansch (10) zum Einspannen in die Werkzeughalterung der Fräsmaschine aufweist, – einen im Vorsatzkörper (9) parallel zur Werkzeug-Rotationsachse (R) verschiebbar geführten, relativ zum Vorsatzkörper (9) drehfesten Werkzeugeinsatz (14) mit einem Reibrührschweißwerkzeug (5), – eine zwischen Vorsatzkörper (9) und Werkzeugeinsatz (14) gesetzte Druckfedereinheit (12), die den Werkzeugeinsatz (14) in Eintauchrichtung (z) des Reibrührschweißwerkzeuges (5) mit einer durch deren Federkennlinie definierten Anpresskraft (F) beaufschlagt.A friction stir welding tool attachment for converting milling machines to the function of friction stir welding, characterized by - an attachment body ( 9 ), which has a connection flange ( 10 ) for clamping in the tool holder of the milling machine, - one in the attachment body ( 9 ) parallel to the tool rotation axis (R) slidably guided, relative to the attachment body ( 9 ) non-rotating tool insert ( 14 ) with a friction stir welding tool ( 5 ), - one between intent body ( 9 ) and tool insert ( 14 ) set compression spring unit ( 12 ), the tool insert ( 14 ) in the dipping direction (z) of the friction stir welding tool ( 5 ) is acted upon by a contact force (F) defined by its spring characteristic. Werkzeugvorsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsatzkörper (9) mit einer Aufnahmekammer (11) versehen ist, in der die Druckfedereinheit (12) angeordnet ist.Tool attachment according to claim 1, characterized in that the attachment body ( 9 ) with a receiving chamber ( 11 ), in which the compression spring unit ( 12 ) is arranged. Werkzeugvorsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugeinsatz (14) mit einer Anschlagschulter (20) versehen, an der sich die Druckfedereinheit (12) abstützt.Tool attachment according to claim 1 or 2, characterized in that the tool insert ( 14 ) with a stop shoulder ( 20 ), at which the compression spring unit ( 12 ) is supported. Werkzeugvorsatz nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch ein von der Werkzeugseite her auf den Vorsatzkörper (9) aufgesetztes Überwurfteil (21), durch das der Werkzeugeinsatz (14) greift und das dessen Verschiebebewegung in Eintauchrichtung (z) begrenzt.Tool attachment according to one of the preceding claims, characterized by a from the tool side on the attachment body ( 9 ) attached cap part ( 21 ) through which the tool insert ( 14 ) and limits its displacement movement in the immersion direction (z). Werkzeugvorsatz nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagschulter (20) des Werkzeugeinsatzes (14) als Begrenzungsanschlag mit einer Bodenwand (23) des Überwurfteils (21) kooperiert.Tool attachment according to claim 3 and 4, characterized in that the stop shoulder ( 20 ) of the tool insert ( 14 ) as a limit stop with a bottom wall ( 23 ) of the cap part ( 21 ) cooperates. Werkzeugvorsatz nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwurfteil (21) als Überwurfmutter ausgebildet ist, die auf den Vorsatzkörper (9) aufschraubbar ist.Tool attachment according to claim 4 or 5, characterized in that the cap part ( 21 ) is designed as a union nut on the attachment body ( 9 ) can be screwed on. Werkzeugvorsatz nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugeinsatz (14) zu seiner Drehblockierung gegenüber dem Vorsatzkörper (9) über eine rotationsunsymmetrische Öffnung (24) durch das Überwurfteil (21) greift.Tool attachment according to one of claims 4 to 6, characterized in that the tool insert ( 14 ) to its rotational blocking relative to the attachment body ( 9 ) via a rotationally asymmetric opening ( 24 ) through the cap part ( 21 ) attacks. Werkzeugvorsatz nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugeinsatz (14) aus einem Lagerkörper (15) gebildet ist, an dessen werkzeugseitigen Ende eine Aufnahme (16) mit einem auswechselbar darin fixierten Reibrührschweißwerkzeug (5) angeordnet ist.Tool attachment according to one of vorgenann claims, characterized in that the tool insert ( 14 ) from a bearing body ( 15 ) is formed, at its tool-side end a receptacle ( 16 ) with a friction stir welding tool (see FIG. 5 ) is arranged. Werkzeugvorsatz nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Druckfedereinheit (12) auswechselbar ist.Tool attachment according to one of the preceding claims, characterized in that the compression spring unit ( 12 ) is interchangeable.
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